当前位置：[摘要]本文通过对遥感、地理信息系统、全球定位系统技术的简要介绍，并探讨了3S技术在淤地坝建设中的坝系规划、工程设计、工程施工、工程监理、竣工验收、工程管理及监测等方面应用研究。同时进一步展望了“3Ｓ”技术发展对淤地坝建设中的作用和地位。其目的是为3S技术在淤地坝建设工作中起到抛砖引玉的作用。
[关键词]淤地坝遥感技术 地理信息系统技术 全球定位系统技术
由于“数字黄河”、“数字水保”的提出，作为“数字”基础的3S技术日益火爆起来，在水土保持领域中得到较广泛的应用，其应用涉及到水土流失评价、监测、水土保持效益分析、水土保持方案编制、荒漠化监测预警、水土保持地理信息系统的建立和数据更新等方面。
3S技术在水土保持工作中的应用发展较快，但作为水土保持重点措施的淤地坝建设方面却落后于其他工作。为此本人针对淤地坝建设工作中3S技术应用特撰此文，使“3S”技术在淤地坝建设及其他领域的中有所启示。进而加快水土保持工作中“3S”技术的普及。
1、3S技术的概况
全球定位系统(GPS)、遥感(RS)和地理信息系统(GIS),即“3S”技术，由于其具有快速、实时地采集、存储管理、更新、分析、应用与地球空间分布有关数据的能力，在水土保持各分支的研究中发挥着越来越重要的作用。淤地坝建设作为水土保持综合治理措施的重要措施之一，在西部大开发的生态环境建设中起着举足轻重的作用。通过“3S”技术进行淤地坝建设中合理利用，有利于提高淤地坝建设工程技术水平，减少建设对环境的负面影响，如淤地坝“零存整取”、“翘尾巴”等问题。有助于淤地坝可持续的相对稳定的实现，促进黄土高原水土流失区社会可持续发展。
1.1 “3S”技术的发展
1.1.1GPS技术
GPS是NavigationSatelliteTimesandRangingGlobalPositioningSystem的简称。全球定位系统是以人造卫星组网为基础的无线电导航系统。它是通过GPS接收机接收来自6条轨道上的24颗GPS卫星组成的卫星网发射的载波，来实现全球实时定位。1993年美国在军事领域首先建立起来,随后它所拥有的快速、实时或准实时、高精度、全球性和全天候的优点，连续的精密三维导航与定位能力也受到广大民用部门的普遍关注。尤其是它可以获取当前位置的经纬度和当前的时间，在实际工作中主要应用其测量高程、计算面积和为RS图像的校正坐标手段，同时是我们精确定位的保障。
1.1.2RS技术
RS是RemoteSensing的简称。遥感主要指从远距离、高空，以至外层空间的平台上，利用可见光、红光、微波等探测仪器，通过摄影或扫描、信息感应、传输或处理,从而识别地面物质的性质和运动状态的现代化技术系统。RS技术由于其具有观测范围广、多波段成象和周期性重复等特点，自20世纪60年代投入使用以来，发展迅速，现己广泛应用于大范围以至全球范围的资源调查与开发、环境变化监测。随着传感器技术、航空和航天平台技术、数据通讯技术的发展,现代遥感进入一个能够动态、快速、准确、多手段对地观测数据的新阶段。目前应用最多的是卫星遥感数据和航片，其中卫星遥感数据应用最多。由于目前卫星遥感数据是一种在计算机中存储的数字图像，但在生产中直接时使用进行面积量算、分析、统计等工作有一定的难度，必须借助于地理信息系统（GIS）来进行。由于卫星遥感数据一般来说分辨率较低，无法满足淤地坝建设的需要，但随着近年来，卫星遥感数据分辨率的提高，尤其是民用1m分辨率卫星影像的出现，为我们控制淤地坝坝址及控制面积内治理度实现提供必要的物质基础。其应用也正由定性向定量、静态向动态方向发展，应用前景极为广阔。所以说RS的精度提高是我们控制淤地坝的物质基础。
2.2、淤地坝工程设计中的应用
在选定坝址后，利用已输入的得小流域地形图图层计算该坝的控制集水面积和流域总面积，利用已有遥感资料分析流域内的水土保持治理度，以及坝址附近土、石料、水源情况。利用GPS测出坝址处一系列地形地貌特征点的坐标数据，通过后处理，求出各特征点的坐标，利用GIS相关软件编制成数字地形模型（DTM），进而建立1：5000~1：2000库区地形图和1：1000~1：500坝址地形图图层，在ARC/INFO中可以用TIN模块将数字地形图应用surFaceprofile和STACKPROFILE宏语言程序，将对一个或多个横切线进行自动计算并绘制剖面图形，生成坝址横断面图。虽然绘制工程图并不是GIS的专长，但是有部分GIS开发了这样的功能，当然也可使用计算机辅助设计（CAD）软件完成淤地坝三大件工程设计。用这种方法进行工程设计，自动化程度比较高，可提供多方案比较，对设计结果进行修改也相当方便。
1.1.3GIS技术
GIS是Geographicalinformationsystems的简称。地理信息系统属于空间信息技术,是以地理空间数据库为基础,在计算机软、硬件的支持下,对有关空间数据按地理坐标或空间位置进行预处理、输入、存储、检索、运算、分析、显示、更新和提供应用、研究,并处理各种以空间实体及空间关系为主的技术系统。具有采集、管理、分析和输出多种空间信息的能力;具有空间分析、多要素综合分析和预算预报的能力,可为宏观决策管理服务;能实现快速、准确的空间分析和动态监测研究。
1966年RogerTomlinson开发成功第一套真正的地理信息系统—CGIS为标志者GIS的诞生，从而RogerTomlinson被誉为地理信息系统之父。JackDangermond开发了第一个商业化的地理信息系统—Arc/Info，至今它仍是使用最广泛的地理信息系统软件之一。由于GIS技术处理和分析地理空间及非空间信息的强大功能，它已被广泛应用于水土保持的各个领域。GIS是淤地坝建设工作中信息管理的基础，是3S技术的基础。
1.2“3S”集成技术的发展
随着“3S”技术的研究和应用逐渐向广度和深度发展,GPS、RS、GIS已由独立平行发展走向相互渗透和综合发展,形成“3S”集成技术,并显示出单独一种技术所没有的优势。集成技术不是一种简单的相加,而是一种有机的结合、在线的连接、实时的处理和系统的综合,“3S”集成技术是当今地球空间信息科学的最前沿领域。在“3S”技术集成系统中,GPS用于实时、快速地提供目标的定向定位信息;RS用于实时或准实时地提供目标及其环境的语义或非语义信息,发现地球表面的各种变化,及时地对GIS进行数据更新;GIS作为集成系统的基础平台,可对多源时空数据进行综合处理、集成管理、动态存取、即时分析决策,形成一个完整的闭环控制系统。在集成系统的实现和应用过程中,还需解决许多“3S”技术单独应用所未曾遇到的问题,如:实时空间定位,一体化数据管理,数据动态更新,数据实时通讯等关键技术。
“3S”技术集成的模式可以是相对简单的两两集成,也可以是复杂的整体集成。两两集成模式有GPS+RS、GPS+GIS、GIS+RS,技术难度相对较低。整体集成—GPS+RS+GIS,难度大、费用高,但意义重大,国外也处于研究阶段。
2、3S技术在水土保持淤地坝建设中的应用
2.1、淤地坝坝系规划中的应用
淤地坝坝系规划应以小流域为单元，通过小流域的地形图输入到GIS中，建立数字高程模型（DEM）可以得到相应的坡度、高程、坡向、坡长、沟壑密度等；利用RS资料通过人工交互判读可以得到小流域内的土地利用现状、植被、土壤、地质等GIS数据层；利用降雨观测点的资料建立降雨等值线GIS图层；根据以上数据图层我们可以应用地理信息系统实现集水面积计算、水位—淤地面积曲线、水位—库容曲线、水位—土方量曲线等工作，从而在坝系规划阶段实施多方案虚拟坝系对比，不同修建坝系顺序的对比。利用GIS的空间叠置分析、缓冲区分析、网络路经分析等功能优化坝系，得到各坝的拦泥坝高、大坝间隔年限、大坝顺序等。实现合理的大、中、小淤地坝搭配、拦蓄设计暴雨洪水、使全流域淤地坝、小水库、治沟骨干工程三者合理分布，协调发展，坝系得以安全运行，保证各种作用都能充分发挥，合理地利用水土资源，科学的坝系建设规划，最终达到坝系相对稳定。如在ArcView中将1:1万地形图输入为矢量数据，通过其扩展模块三维分析3DAanlyst建立不规则三角形TIN，激活TIN专题，点击<Surface>菜单下的<AreandVolumeStatistic>，输入一个坝高高程，就可以计算出集水面积、该高程的库容。再如应用采用遥感和GIS技术进行土壤侵蚀模数的确定，此技术要比七十年代制定的《水文手册》精度高得多，用RS技术来确定小流域内的土地利用现状、植被、土壤、地质等GIS数据层；利用降雨观测点的资料建立降雨等值线GIS图层；用ArcView激活DEM专题层，选择<Surface>菜单下的<DeriveSlope>命令得到坡度图层；<DeriveAspect>命令得到坡向图层；通过<Hydro>、<Analysis>菜单下多条命令来的道坡长图层；使用<Hydro>。根据以上图层可以模拟出土壤侵蚀模数，准确地确定出淤积年限。
2.3、淤地坝施工工作中的应用
在淤地坝施工放样中应用，根据已输入在GIS中的库区、坝址地形图和单项工程设计图纸，然后采用GPS的RTK（实时动态测量)技术，基站安设在一已知点上，预先将待定点坐标输入流动站手簿，手持GPS流动站天线，首先确定坝轴线方向找到定点坐标，把其放样在地面上，然后，用同样方法确定一系列点，一坝轴线为中心线定出上、下游坝脚线及坝顶线位置。由这些点可以连成开挖线，确定开挖面，这样将土坝落实到地面上；同样法将溢洪道、泄水洞等各项建筑物逐项落实到地面，并用打桩等方法予以确定。
根据交通部第二公路勘察设计院陈楚江等在海南中线新建公路海口至屯昌段位于海南中部进行的“GPS测量用于高程控制测量的尝试”，这种方法要求GPS观测点密度适当，分布比较均匀。利用高精度GPS定位技术精密确定观测点的大地高程差，并根据建立的适当大地水准面数学模型，内插出计算点的高程异常或异常差，从而得出特定点的正常高程。则GPS高程的中误差为±0.039m。因此在我们的淤地坝施工中也是可行的。
2.4、淤地坝监理工作中的应用
监理工程师监理淤地坝过程中，可以根据淤地坝坝系规划设计已经建立起来的电子图纸，利用GPS与笔记本电脑连接，在GIS中打开所定位淤地坝的图集（淤地坝控制的小流域规划图、现状图等、淤地坝的库区、坝址地形图、淤地坝工程设计图），针对淤地坝的建设情况迅速作出以下三大控制、两管理：1、进度方面：主要是控制淤地坝施工进度到汛期达到防汛坝高以及按建设单位下达的计划要求进度施工；2、质量方面：按设计要求进行测定：如利用GPS测定各特征点的高程、坝内外的坡度控制等，同时得到工程量；3、投资方面：根据工程进度和核实的工程量和工程质量，签发支付凭证，上报业主单位，支付资金给予施工单位。4、合同管理：检查、监督建设各方合同计划任务完成情况的同时，利用先进的3S技术来测量工程变更及新增工程部分，研究处理变更并进一步将变更部分管理到淤地坝坝系信息系统中，便于最终的工程验收。5、信息管理：将所有关的信息追加到坝系建设施工系统中，坝系信息系统建立成为淤地坝坝系监理信息系统。这种监理手段准确、快捷、科学，节省人力、物力及财力。
2.5、竣工验收的应用
在淤地坝工程验收：用GPS的RTK技术，首先利用GPS测量的经纬度对坝址中心线位置与原设计资料已输入在GIS中的位置对比，确定坝址位置与设计有无变化，同时测量坝上流域面积、坝控面积；其次观测工程主要指标，如淤地坝坝体顶高程、坝高、坝顶长、坝底宽、外坡比、内坡比、坝体土方量、反滤体石方量等；泄水建筑物的涵洞出口的高程、涵洞的长度、卧管各台阶高程、卧管石方量等，溢洪道进口的高程、出口的高程、溢洪道石方量等。如果原设计资料已输入计算机或用GIS管理，可以把GPS观测数据输入GIS系统，由计算机分析工程施工完成指标与设计值的差别，评价工程质量。
2.6、淤地坝工程管理及监测中的应用
在淤地坝系建设完成后，将淤地坝的所有技术经济指标作为非空间属性数据分层次建立在坝系地理信息系统（GIS），便于下一步的监测及管理。包括：设计的各种数据图纸、竣工时的各类数据图纸、同时逐坝兴建年度（每年一层）管理图层主要针对工程的正常运行、正常的管理和工程存在的问题：如每年的淤积厚度、库区降雨量、库水位、泄水流量、含沙量等；有无裂缝、塔坑、滑坡及隆起现象，有无冲刷、渗漏、管涌、沉陷、断裂、堵塞。数据的来源通过使用宏观上采用高分辨率RS技术来确定，在高分辨率影像上找明显地物点，基于已建立的控制网进行外业观测，求出一系列地物点坐标，作为高分辨率影像几何精纠正的依据用于宏观区域水土流失动态监测；根据航测成图的要求，选一部分地物区域水土流失动态监测；根据航测成图的要求，选一部分地物特征点，经GPS外业观测，求出点的三维坐标，作为影像控制点坐标，建立立体模型，采集有关数据，用于进行重点区域的监测。微观上采用GPS的RTK实时动态技术，把GPS的基站放在已建控制网的某已知点上，流动站沿沟缘线、峁边线、沟底线、沟头连续采集点的坐标，绘制出三维曲线，作为动态监测的基础，定期用同样方法观测，可以比较精确采集到淤积层厚度、坝库区内的重力侵蚀情况等。在水土流失区域面积大，坝系分布多，在监测中采用3s技术和抽样技术是非常可行和有效的。众所周知，该种地区一般来说，人口密度较小，交通不便，缺少明显的地物点，植被稀少，人为设置的地物标志易被水土流失、风沙淹没和人畜损害，甚至出现在设立地物标志时人为随意对待，使之产生较大的估计误差。因此使用GPS定位是十分必要的，它能在任何时候全天候实时确定所在地区的大地坐标，同时工作效率可以提高近10倍多，并可通过导航形式带领您到达目的地。
3、结束语
3.1、“3S”技术已在水土保持管理、措施设计、施工、水土流失预防与监测等方面得到一定应用，虽然目前应用的成本相对较高，但随着科学技术的进步相信这一高新技术在水土保持淤地坝建设工作中必将会得到广泛的应用。
3.2、随着高性能对地观测卫星、导航卫星和遥感手段的多样化，所提供信息的精确度将会大大提高，时效性也会大大增强。目前，应该及时探讨利用1m分辨率及以下的卫星影像来进行淤地坝建设乃至于坝系相对稳定的研究，由于淤地坝是水土保持生态建设屏障，而坝系规划仅凭经验的方法来实现，达不到理想效果，实现相对稳定有一定的难度。所以借助高分辨率卫星影像是非常必要的。
3.3、用于处理遥感图像和空间信息的GIS软件设计水平也呈日新月异的态势，向着人性化、直观化的方向发展，非专业人员经适当培训，也能掌握和使用，加上现实的水土保持科研和开发对高新技术的迫切要求，“3S”技术将会得到越来越普及。
3.4、GPS
在水土保持生态建设方面的应用相当广泛，方法也很多，上边只提出了一些简单可行、一般技术人员都可操作的方法，由于实际工作性质和具体情况的差异，应用方法也有一定差别。
总之，“3S”测量理论与设备的不断发展，使得“3S”测量技术日趋成熟，“3S”测量功能更加完善，“3S”测量应用面更广，并且“3S”测量设备价格变得低廉，操作更加简便，使“3S”测量更加实用化和自动化。
主要参考文献：
1.史明昌等，3S技术在水土保持中的应用，中国水土保持，2002.5
2.喻权刚等，GPS在水土保持生态建设中的应用研究，中国水土保持，2000.11
3.邱荣祖等，“3S”技术及其在森林工程上的应用与展望，林业资源管理2001.1
4.陈楚江全球定位系统(GPS)在高速公路测量中的应用
5.蔺明华等，小流域坝系由化规划模型及其应用，陕西淤地坝建设理论与实践，西安地图出版社，2000.4。
6.秦向阳等，小流域治沟骨干坝系优化规划模型研究，陕西淤地坝建设理论与实践，西安地图出版社，2000.4。
7、汤国安等，ArcView地理信息系统空间分析方法，科学出版社，北京，2002.10.
